GardenDesigner: Encoding Aesthetic Principles into Jiangnan Garden Construction via a Chain of Agents

Resumo Técnico: GardenDesigner

1. Problema e Motivação

Os jardins do estilo Jiangnan (Jardins Clássicos Chineses) são ativos digitais valiosos para filmes, jogos e turismo digital. No entanto, a sua modelagem manual tradicional é extremamente demorada e dependente de especialistas, envolvendo três etapas principais: busca de documentos históricos, modelagem de ativos (arquitetura, plantas, rochas) e design de layout por especialistas.

As abordagens atuais de geração de cenas apresentam limitações significativas para este domínio:

• Falta de Generalização: Métodos baseados em aprendizado de máquina são restritos aos dados de treinamento e não capturam a lógica específica dos jardins chineses.
• Complexidade Estética: Os jardins Jiangnan possuem uma lógica espacial intrincada (focada na água, caminhos sinuosos e equilíbrio assimétrico) que é difícil de codificar em frameworks computacionais.
• Ausência de Dados: Não existem conjuntos de dados 3D existentes que contenham ativos estilísticos e anotações culturais específicas para jardins Jiangnan.

2. Metodologia

O GardenDesigner é um novo framework que integra uma cadeia de agentes (Chain of Agents), modelagem procedural e princípios estéticos codificados para automatizar a construção de jardins. O sistema é composto por dois módulos principais:

A. Composição Hierárquica do Jardim (Hierarchical Garden Composition)
Este módulo gera a base topográfica e as vias de circulação, utilizando dois agentes:

1. Agente de Distribuição de Terreno ($A_T$): Utiliza um algoritmo genético baseado em uma grade 2D para gerar o terreno. Ele incorpora uma função de perda centrada na água (water-centric loss) para garantir que a água seja o elemento organizador central, evitando lagos dispersos e criando microcosmos naturais.
2. Agente de Geração de Estradas ($A_R$): Gera caminhos que seguem os princípios de "exploração" e "sinuosidade". O agente utiliza um mecanismo de pontuação em grade que prioriza bordas, evita linhas retas excessivas e cria curvas suaves (splines) que revelam vistas progressivamente, simulando a experiência do visitante.

B. Arranjo de Ativos Incorporado ao Conhecimento (Knowledge-Embedded Asset Arrangement)
Este módulo seleciona e posiciona os objetos (arquitetura, plantas, rochas) com base em regras culturais:

1. Dataset GardenVerse: Os autores criaram um novo conjunto de dados contendo 132 ativos 3D de alta qualidade (rochas, plantas, arquitetura) com anotações de especialistas. Cada ativo possui metadados ricos sobre atributos visuais, composições espaciais, estações adequadas e contexto cultural.
2. Agente de Seleção de Ativos ($A_S$): Utiliza um LLM (Large Language Model) para consultar o GardenVerse. O agente recebe informações sobre a área e o conhecimento do jardim para recuperar ativos culturalmente apropriados e semanticamente coerentes.
3. Agente de Otimização de Layout ($A_C$): Organiza os objetos selecionados aplicando 8 tipos de restrições estéticas agrupadas em 5 categorias: Global (borda/meio), Posição (ao redor/encostado), Distância (perto/longe), Alinhamento e Rotação.
   • O sistema utiliza uma função de perda de otimização ($\mathcal{L}_{opt}$) que combina objetivos globais, de posição, distância, alinhamento e rotação.
   • Um algoritmo de Busca em Profundidade (DFS) é utilizado para encontrar soluções de layout viáveis que minimizem essas perdas, garantindo que os objetos não colidam e respeitem as regras de "esconder e revelar" vistas.

Interface e Interatividade:
O sistema foi implementado na engine Unity, permitindo que usuários não especialistas criem jardins através de entrada de texto em menos de um minuto. O sistema pode exportar layouts 2D para construção física real ou experiências em VR/AR.

3. Principais Contribuições

1. Framework GardenDesigner: Uma arquitetura inovadora que codifica princípios estéticos de jardins Jiangnan através de uma cadeia de agentes e um conjunto de dados especializado.
2. Módulos de Geração Procedural:
   • Um módulo de composição hierárquica para terrenos e estradas guiados por princípios estéticos (foco na água e caminhos exploratórios).
   • Um mecanismo de arranjo de ativos incorporado ao conhecimento para seleção e otimização de layout.
3. Dataset GardenVerse: Um conjunto de dados de alta qualidade com ativos 3D anotados por especialistas, preenchendo a lacuna de dados culturais para este domínio.
4. Ferramenta Interativa: Uma interface em Unity que democratiza o design de jardins, permitindo a geração rápida via texto e a exportação para aplicações reais (turismo virtual, jogos, construção).

4. Resultados e Avaliação

Os autores realizaram avaliações quantitativas e qualitativas comparando o GardenDesigner com métodos baseline (como Liu et al. [25]) e outros geradores de cena.

• Métricas Quantitativas:

  • Pontuação de Caminho (Path-S): O GardenDesigner alcançou 8.1 (vs. 0 no baseline), indicando caminhos lógicos que conectam pontos de interesse.
  • Diversidade de Classes (Class-Div): O sistema gerou uma gama muito mais ampla de objetos (68.3 vs. 21.8).
  • Dimensão Fractal (FD): O resultado foi 1.36, muito próximo da complexidade estrutural de jardins reais (1.123–1.329), demonstrando maior naturalidade espacial.
  • Avaliação por VLMs (Visuais): O sistema superou significativamente os baselines em métricas de qualidade estética, coerência semântica e atmosfera cultural (ex: VLM-S de 32.5 vs. 24.9).

• Avaliação Humana:

  • Envolveu 11 especialistas em jardins e 32 voluntários não especialistas.
  • O GardenDesigner foi preferido em todas as categorias (Qualidade Geral, Relevância de Texto, Layout Espacial e Atmosfera Cultural).
  • Especialmente na Atmosfera Cultural, o sistema foi escolhido por 59% dos especialistas e 49% dos usuários gerais, superando largamente os métodos sem a incorporação de conhecimento especializado.
  • Estudos de ablação mostraram que a remoção do módulo de "Arranjo de Ativos Incorporado ao Conhecimento" resultou em layouts menos preferidos, validando a importância das regras estéticas codificadas.

5. Significado e Impacto

O GardenDesigner representa um avanço significativo na interseção entre Patrimônio Cultural Imaterial e Inteligência Artificial Generativa.

• Preservação Cultural: Oferece uma maneira de digitalizar e revitalizar as tradições de design de jardins chineses, transformando regras estéticas abstratas em sistemas computacionais executáveis.
• Aplicações Práticas: O sistema tem utilidade imediata na indústria de entretenimento (jogos e filmes), turismo virtual (VR/AR) e até no planejamento de jardins físicos reais, fornecendo layouts 2D prontos para construção.
• Generalização: A abordagem de "cadeia de agentes" com perda procedural e conhecimento embutido pode ser adaptada para outros estilos de paisagismo (ex: jardins reais europeus), abrindo novas avenidas para a geração de cenas artísticas complexas.

Em suma, o trabalho demonstra que a combinação de modelagem procedural, grandes modelos de linguagem e conhecimento de domínio especializado (GardenVerse) permite a geração automática de cenários culturalmente ricos e esteticamente coerentes, reduzindo drasticamente a barreira de entrada para a criação de ativos digitais de patrimônio cultural.